21,1 cm y el culebr¨®n c¨®smico del ¨¢tomo de hidr¨®geno

El hidr¨®geno es el ¨¢tomo m¨¢s sencillo que existe, contiene ¨²nicamente un electr¨®n y un prot¨®n (compar¨¦moslo con cualquier otro, por ejemplo el californio¡ªs¨ª hay un elemento que se llama as¨ª¡ª que tiene 98 protones y 98 electrones o con el uranio con 92 de cada). El hidr¨®geno es tambi¨¦n el m¨¢s abundante, representa tres cuartas partes de la masa total de eso con lo que est¨¢n hechas las cosas que vemos, la materia bari¨®nica. Las claves de la complejidad del universo est¨¢n escritas en la simplicidad del hidr¨®geno y gran parte de la historia c¨®smica que podemos reconstruir es b¨¢sicamente un culebr¨®n que tiene como protagonistas al electr¨®n y al prot¨®n, su tumultuosa relaci¨®n de pareja y los 21,1?cm de energ¨ªa que los separan cuando est¨¢n muy juntos.

La se?al m¨¢s antigua que hemos sido capaces de medir en el cosmos est¨¢ relacionada con el proceso mediante el cual los electrones se ligaron a los protones para formar los primeros ¨¢tomos de hidr¨®geno. Esta uni¨®n que se produjo apenas 380.000 a?os despu¨¦s del Big Bang dej¨® una huella en todo el universo, es lo m¨¢s remoto que hemos mirado atr¨¢s en el tiempo y lo conocemos como Fondo C¨®smico de Microondas (ver, por ejemplo, la misi¨®n PLANCK). Desde ese momento, hasta que se forman las estrellas y empezamos a ver su luz entramos en la edad de la oscura ignorancia.

Los 21,1?cm son clave porque esa es la se?al que el cosmos estar¨ªa envi¨¢ndonos desplazada al rojo (como un muelle muy estirado por la expansi¨®n del universo)

Para poder ver qu¨¦ ocurri¨® en ese largo periodo oscuro del cual no sabemos pr¨¢cticamente nada, hay que detectar lo ¨²nico que exist¨ªa: extremadamente remotas, trillones de nubes de gas de hidr¨®geno neutro. Durante esta primera relaci¨®n en forma de hidr¨®geno neutro entre el prot¨®n y el electr¨®n que dur¨® unos 660 millones de a?os y hasta que nuestros protagonistas se divorcian de nuevo, separ¨¢ndose en los electrones y protones que llamamos gas ionizado, no hemos podido detectar se?al todav¨ªa. Es ah¨ª donde esos 21,1?cm son clave porque esa es la se?al que el cosmos estar¨ªa envi¨¢ndonos desplazada al rojo (como un muelle muy estirado por la expansi¨®n del universo).

?C¨®mo se produce esa se?al? Pensemos al simple hidr¨®geno con una carga positiva y una carga negativa que en su configuraci¨®n m¨¢s relajada, fundamental, se sit¨²an uno muy cerca del otro. Imaginemos, por ejemplo, que est¨¢n tirados en el sof¨¢ mirando un documental de leones. En ese sof¨¢ pueden estar en dos estados, ambos con las cabezas en el mismo lado o ambos con las cabezas en lados opuestos del sof¨¢. Obviamente, no es lo mismo un estado que el otro, al de las cabezas paralelas lo llamamos su estado excitado porque cansa y aunque el electr¨®n puede pasarse as¨ª unos 10 millones de a?os acaba agarrando el coj¨ªn y pas¨¢ndose al otro lado del sof¨¢, su estado fundamental, donde tienen las cabezas antiparalelas. Estas dos energ¨ªas son muy parecidas, pero el paso de una a otra se manifiesta en la emisi¨®n de radiaci¨®n que tiene una longitud de onda bien conocida, 21.1 cm que transformados en frecuencia nos dan 1420.4 megahercios (MHz) o sea que estamos hablando de ondas de radio. Es una onda grande y como tal est¨¢ asociada a una energ¨ªa muy peque?a, es 26 ¨®rdenes de magnitud menor que las 89 calor¨ªas de energ¨ªa que es capaz de proporcionar un pl¨¢tano. Esto ser¨ªa como comparar el tama?o del universo con la longitud de un metro, y estirada por la expansi¨®n del universo al tiempo que queremos medir estar¨ªa desplazada a frecuencias m¨¢s bajas entre los 10 y los 210 MHz.

Si somos capaces de detectar la que proviene de las primeras nubes de hidr¨®geno formadas en el universo antes de que ni siquiera existieran estrellas, tendr¨ªamos una se?al certera del comienzo del universo

Esta longitud de onda es una de las cantidades que se conocen con mayor precisi¨®n en astrof¨ªsica, su existencia fue predicha en 1944 por el astr¨®nomo Hendrick van del Huslt como una manera de detectar el hidr¨®geno at¨®mico fr¨ªo y nos permiti¨® ver por primera vez la estructura espiral de nuestra galaxia. Las placas de las sondas espaciales Pioneer 10 y Pioneer 11 llevan la figura de dos humanos medidos en la escala de esta transici¨®n hiperfina del ¨¢tomo de hidr¨®geno que se utiliza adem¨¢s para hacer mapas de las nubes de gas en nuestro entorno relativamente cercano. Si somos capaces de detectar la que proviene de las primeras nubes de hidr¨®geno formadas en el universo antes de que ni siquiera existieran estrellas, tendr¨ªamos una se?al certera del comienzo del universo.

Y ahora hablemos del problema. Imaginemos que podemos construir un aparato de radio capaz de sintonizar esa se?al. Supongamos adem¨¢s que solo moviendo el dial, eso que se hac¨ªa en las radios antiguas, sintonizamos no diferentes emisoras sino las se?ales emitidas en tiempos diferentes. ?A qu¨¦ estamos esperando para construirlo? Pues bien, ya lo estamos haciendo, ese aparato se llama Square Kilometer Array (SKA), Espa?a tendr¨¢ una contribuci¨®n importante y se espera que revolucione el campo permitiendo detectar por vez primera nubes de hidr¨®geno gigantes alejad¨ªsimas en el tiempo y el espacio.

Pero hay otra parte de emisi¨®n de estas nubes que no podemos sintonizar con instrumentos en la Tierra por dos motivos principales, uno que aqu¨ª abajo hacemos mucho ruido en esas frecuencias y otro que est¨¢n bloqueadas por la presencia de la ionosfera (una capa de la atm¨®sfera entre los 80 y 400 km de altitud que refleja las ondas de radio, donde se forman tambi¨¦n las auroras boreales y se desintegran los meteoroides). Nuestra esperanza, quiz¨¢s la ¨²nica, de sintonizar esa se?al por encima de los 30 Mhz ser¨ªa hacerlo con radiotelescopios colocados en la cara oculta de la Luna. Ninguna de las futuras misiones espaciales a nuestro sat¨¦lite contempla todav¨ªa esa posibilidad para hacer ciencia pura, b¨¢sica, fundamental, no miner¨ªa espacial ni viajes tur¨ªsticos, desde la Luna. Esperemos que no perdamos esa oportunidad de iluminar nuestro conocimiento acerca de ese periodo oscuro en la vida del universo, probar nuestros modelos cosmol¨®gicos, comprender como funciona el universo en su modo m¨¢s fundamental y aprender f¨ªsica que ni siquiera hemos tenido todav¨ªa casi ni la posibilidad de imaginar. Mientras tanto permanecemos muy atentos a los sorprendentes descubrimientos que esperamos se producir¨¢n con SKA.

Eva Villaver es investigadora del Centro de Astrobiolog¨ªa, dependiente del Consejo Superior de Investigaciones Cient¨ªficas y del Instituto Nacional de T¨¦cnica Aeroespacial (CAB/CSIC-INTA).

Vac¨ªo C¨®smico es una secci¨®n en la que se presenta nuestro conocimiento sobre el universo de una forma cualitativa y cuantitativa. Se pretende explicar la importancia de entender el cosmos no solo desde el punto de vista cient¨ªfico sino tambi¨¦n filos¨®fico, social y econ¨®mico. El nombre ¡°vac¨ªo c¨®smico¡± hace referencia al hecho de que el universo es y est¨¢, en su mayor parte, vac¨ªo, con menos de 1 ¨¢tomo por metro c¨²bico, a pesar de que en nuestro entorno, parad¨®jicamente, hay quintillones de ¨¢tomos por metro c¨²bico, lo que invita a una reflexi¨®n sobre nuestra existencia y la presencia de vida en el universo. La secci¨®n la integran Pablo G. P¨¦rez Gonz¨¢lez, investigador del Centro de Astrobiolog¨ªa; Patricia S¨¢nchez Bl¨¢zquez, profesora titular en la Universidad Complutense de Madrid (UCM); y Eva Villaver, investigadora del Centro de Astrobiolog¨ªa.

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